Bộ nhớ RAM

RAM (viết tắt của Random Access Memory) là một loại bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên cho phép truy xuất đọc-ghi ngẫu nhiên đến bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ dựa trên địa chỉ bộ nhớ. Dữ liệu trên RAM chỉ lưu tạm thời và sẽ mất khi không có nguồn điện.

RAM là bộ nhớ chính của máy tính và các hệ thống điều khiển, dùng để lưu trữ các thông tin thay đổi đang sử dụng. Các hệ thống điều khiển cũng sử dụng SRAM như một thiết bị lưu trữ thứ cấp (secondary storage). Khi cần, một pin nhỏ được sử dụng để duy trì dữ liệu trong RAM. RAM có đặc tính là thời gian thực hiện thao tác đọc hoặc ghi đối với mỗi ô nhớ là như nhau, dù ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ. Mỗi ô nhớ trong RAM đều có một địa chỉ. Thông thường, mỗi ô nhớ là một byte (8 bit); tuy nhiên, hệ thống có thể đọc hoặc ghi nhiều byte (2, 4, 8 byte) một lúc.

RAM khác với các thiết bị bộ nhớ tuần tự (sequential memory device) như băng từ, CD-RW, DVD-RW, ổ đĩa cứng, với việc phải tìm đến sector và đọc/ghi toàn bộ khối dữ liệu để truy xuất. Thuật ngữ RAM là để phân biệt theo ý nghĩa sử dụng, so với các loại chip nhớ truy xuất ngẫu nhiên khác như EEPROM (read-only memory) có hạn chế việc ghi, và bộ nhớ flash cho phép đọc/ghi.

Lịch sử

Chip RAM xuất hiện lần đầu trên thị trường vào cuối những năm 1960 với sản phẩm DRAM được Intel 1103 công bố vào tháng 10 năm 1970.

Các laptop đầu tiên ra đời vào cuối thập niên 90 tích hợp RAM SDR bên trong, dù chúng có tốc độ chậm và dung lượng nhỏ. Hiện nay, loại RAM này đã ít xuất hiện. Để cải thiện tốc độ và dung lượng, nghiên cứu và sản xuất RAM DDR bắt đầu vào đầu những năm 2000, là nền tảng cho các loại RAM hiện đại. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) được rộng rãi sử dụng trên các laptop từ đầu những năm 2000 đến cuối 2004.

Với sự ra đời của các thế hệ máy tính mới và giao diện người dùng thân thiện hơn, như Windows XP vào năm 2003, RAM cần nhanh hơn và dung lượng lớn hơn. DDR không đáp ứng được nhu cầu này sau vài năm, dẫn đến việc phát triển DDR2 có tốc độ và dung lượng lớn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với DDR. DDR2 xuất hiện trên các laptop từ cuối năm 2003 đến cuối năm 2009, với bộ nhớ lên đến 4GB.

Năm 2007, với sự xuất hiện của hệ điều hành Windows Vista và Mac OS X Leopard, DDR2 được thay thế bằng DDR3 với tốc độ nhanh hơn và dung lượng lớn hơn, tiết kiệm năng lượng hơn 30% so với DDR2. DDR3 trở nên phổ biến trên laptop hiện đại với bộ nhớ lớn lên đến 16GB/thanh. DDR3L là phiên bản tiết kiệm năng lượng hơn của DDR3, được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị đặc biệt như hệ thống máy chủ và laptop cao cấp.

Khi RAM DDR3 tròn 8 năm tuổi, DDR4 cũng đã ra mắt với những thay đổi đáng chú ý như gia tăng số lựa chọn xung nhịp và chu kỳ, giảm tiêu thụ điện năng và độ trễ. Hiện nay, DDR3 được giới hạn chủ yếu ở các mức xung nhịp 1333, 1600 và 1866 MHz. Các mức 2133 MHz, 800 MHz và 1066 MHz không còn được sản xuất nữa.

Tháng 11 năm 2018, SK Hynix giới thiệu module DDR5 16GB đầu tiên trên thế giới, mở đầu cho sự xuất hiện của loại DRAM này đang được nghiên cứu.

Đặc điểm

Bộ nhớ RAM có 4 đặc điểm sau:

• Dung lượng bộ nhớ: Tổng số byte của bộ nhớ (nếu tính theo byte) hoặc tổng số bit trong bộ nhớ (nếu tính theo bit).
• Tổ chức bộ nhớ: Số ô nhớ và số bit cho mỗi ô nhớ.
• Thời gian thâm nhập: Thời gian từ khi đưa ra địa chỉ của ô nhớ đến khi đọc được nội dung của ô nhớ đó.
• Chu kỳ bộ nhớ: Thời gian giữa hai lần thâm nhập bộ nhớ liên tiếp.

Mục đích

Máy tính sử dụng RAM để lưu trữ mã chương trình và dữ liệu trong quá trình thực thi. Đặc điểm tiêu biểu của RAM là có thể truy cập vào các vị trí khác nhau trong bộ nhớ và hoàn tất trong thời gian ngắn tương đương, khác với một số kỹ thuật khác yêu cầu thời gian trễ nhất định.

Phân loại RAM

Tùy thuộc vào công nghệ sản xuất của các quốc gia trên thế giới, RAM được phân thành hai loại.

RAM tĩnh

RAM tĩnh - SRAM (Static Random Access Memory) được sản xuất theo công nghệ ECL (sử dụng trong CMOS và BiCMOS). Mỗi bit nhớ bao gồm các cổng logic với 6 transistor MOS. SRAM là bộ nhớ nhanh, việc đọc không làm mất nội dung của ô nhớ và thời gian truy cập bằng chu kỳ của bộ nhớ. Tuy nhiên, SRAM là một vùng lưu trữ thực thi dùng cho việc khởi động máy.

RAM động

RAM động - DRAM (Dynamic Random Access Memory) sử dụng công nghệ MOS. Mỗi bit nhớ gồm một transistor và một tụ điện. Việc ghi dữ liệu dựa trên việc duy trì điện tích trong tụ điện và vì thế việc đọc một bit nhớ làm mất nội dung của bit này. Do đó, sau mỗi lần đọc một ô nhớ, điều khiển bộ nhớ phải viết lại nội dung của ô nhớ đó. Chu kỳ bộ nhớ cũng tương tự và ít nhất là gấp đôi thời gian truy cập ô nhớ.

Việc lưu giữ thông tin trong bit nhớ chỉ là tạm thời vì tụ điện sẽ mất điện tích đã nạp và do đó cần làm mới bộ nhớ sau mỗi khoảng thời gian 2μs. Quá trình làm mới này được tự động hoá bởi một vi mạch điều khiển bộ nhớ.

Bộ nhớ DRAM chậm hơn nhưng lại rẻ hơn SRAM.

Các loại DRAM

1. SDRAM (viết tắt từ Synchronous Dynamic RAM) được gọi là DRAM đồng bộ. SDRAM bao gồm 3 loại: SDR, DDR, DDR2, DDR3 và DDR4
2. SDR SDRAM (Single Data Rate SDRAM), thường được gọi là 'SDR'. Có 168 chân. Được sử dụng trong các máy tính cũ, bus speed chạy đồng bộ với tốc độ clock của chip nhớ, nhưng hiện đã lỗi thời.
3. DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), thường được gọi là 'DDR'. Có 184 chân. DDR SDRAM là sự tiến bộ từ SDR với tốc độ truyền dữ liệu gấp đôi nhờ vào việc truyền dữ liệu hai lần trong một chu kỳ bộ nhớ. Đã được thay thế bởi DDR2.
4. DDR2 SDRAM (Double Data Rate 2 SDRAM), thường được gọi là 'DDR2'. Là thế hệ thứ hai của DDR với 240 chân, lợi thế lớn nhất của nó so với DDR là có bus speed cao gấp đôi tốc độ clock.
5. DDR3 SDRAM (Double Data Rate III SDRAM): có tốc độ bus 800/1066/1333/1600 MHz, số bit dữ liệu là 64, điện áp là 1.5v, tổng số chân là 240.
6. DDR4 SDRAM (Double Data Rate IV SDRAM): có tốc độ bus 3600 - 4000 MHz, số bit dữ liệu là 64, điện áp là 1.2v, tổng số chân là 288. Khác biệt so với DDR3 SDRAM là có chip ECC thứ 9 để sửa lỗi.
7. DDR5 SDRAM (Double Data Rate V SDRAM): có tốc độ bus 4800 - 6400 MHz, số bit dữ liệu là 128, điện áp là 1.1v, tổng số chân là 288.
8. RDRAM (viết tắt từ Rambus Dynamic RAM), thường được gọi là 'Rambus'. Đây là loại DRAM được thiết kế hoàn toàn khác biệt so với SDRAM. RDRAM hoạt động đồng bộ theo một hệ thống lặp và truyền dữ liệu theo một hướng. Một kênh bộ nhớ RDRAM có thể hỗ trợ đến 32 chip DRAM. Mỗi chip được kết nối tuần tự trên một module gọi là RIMM (Rambus Inline Memory Module) nhưng truyền dữ liệu giữa các mạch điều khiển và từng chip riêng biệt thay vì truyền giữa các chip. Bus bộ nhớ RDRAM là đường dẫn liên tục đi qua các chip và module trên bus, mỗi module có các chân vào và ra trên các đầu đối diện. Do đó, nếu các khe cắm không chứa RIMM, sẽ phải gắn một module liên tục để đảm bảo đường truyền liên tục. Tốc độ Rambus từ 400-800 MHz. Rambus không nhanh hơn SDRAM nhưng lại đắt hơn rất nhiều, vì vậy ít được sử dụng. RDRAM cần cắm thành cặp và ở những khe trống phải cắm thanh RAM giả (còn gọi là C-RIMM) để đủ số lượng chân.
9. LPDDR (Low Power Double Data Rate SDRAM), là loại DRAM tiết kiệm năng lượng. Được đóng gói dưới dạng BGA (chân bó), loại DRAM này thường được sử dụng trên điện thoại thông minh, máy tính bảng, laptop siêu mỏng...

Thông số kỹ thuật của RAM

Được phân loại theo tiêu chuẩn của JEDEC.

Dung lượng

Dung lượng RAM được đo bằng MB và GB, thông thường RAM được thiết kế với các dung lượng 256 MB, 512 MB, 1 GB, 2 GB, 3 GB, 4 GB, 8 GB... Dung lượng RAM càng lớn thì hiệu suất hệ thống càng tốt, tuy nhiên không phải tất cả các hệ thống phần cứng và hệ điều hành đều hỗ trợ các loại RAM có dung lượng lớn, một số hệ thống phần cứng của máy tính cá nhân chỉ hỗ trợ tối đa 4 GB và một số hệ điều hành (như phiên bản 32 bit của Windows XP) chỉ hỗ trợ tối đa 32 GB.

Bus

Loại hình phân loại

Hiện có hai dạng BUS: BUS Speed và BUS Width.

- BUS Speed là tốc độ dữ liệu của BUS RAM, đo lường bằng số lượng dữ liệu xử lý trong một giây.

- BUS Width là độ rộng của bộ nhớ. Các loại RAM DDR, DDR2, DDR3, DDR4 hiện nay đều có BUS Width cố định là 64 bit.

Công thức tính băng thông (bandwidth) từ BUS Speed và BUS Width:

Băng thông = (Tốc độ BUS x Chiều rộng BUS) / 8

- Băng thông là tốc độ tối đa mà RAM có thể đọc và ghi dữ liệu trong một giây. Giá trị băng thông ghi trên RAM là giới hạn lý thuyết. Thực tế, băng thông thường thấp hơn và không thể vượt quá giới hạn lý thuyết.

Các loại RAM, BUS RAM và băng thông tương ứng

• SDR SDRAM được phân loại theo tốc độ BUS như sau:
  • PC-66: BUS 66 MHz.
  • PC-100: BUS 100 MHz.
  • PC-133: BUS 133 MHz.
• DDR SDRAM được phân loại theo tốc độ BUS và băng thông như sau:
  • DDR-200: Còn được gọi là PC-1600. BUS 100 MHz với băng thông 1600 MB/s.
  • DDR-266: Còn được gọi là PC-2100. BUS 133 MHz với băng thông 2100 MB/s.
  • DDR-333: Còn được gọi là PC-2700. BUS 166 MHz với băng thông 2667 MB/s.
  • DDR-400: Còn được gọi là PC-3200. BUS 200 MHz với băng thông 3200 MB/s.
• DDR2 SDRAM được phân loại theo tốc độ BUS và băng thông như sau:
  • DDR2-400: Còn được gọi là PC2-3200. Đồng hồ 100 MHz, BUS 200 MHz với băng thông 3200 MB/s.
  • DDR2-533: Còn được gọi là PC2-4200. Đồng hồ 133 MHz, BUS 266 MHz với băng thông 4267 MB/s.
  • DDR2-667: Còn được gọi là PC2-5300. Đồng hồ 166 MHz, BUS 333 MHz với băng thông 5333 MB/s.
  • DDR2-800: Còn được gọi là PC2-6400. Đồng hồ 200 MHz, BUS 400 MHz với băng thông 6400 MB/s
• DDR3 SDRAM được phân loại theo tốc độ BUS và băng thông như sau:
  • DDR3-1066: Còn được gọi là PC3-8500. Đồng hồ 533 MHz, BUS 1066 MHz với băng thông 8528 MB/s
  • DDR3-1333: Còn được gọi là PC3-10600. Đồng hồ 667 MHz, BUS 1333 MHz với băng thông 10664 MB/s
  • DDR3-1600: Còn được gọi là PC3-12800. Đồng hồ 800 MHz, BUS 1600 MHz với băng thông 12800 MB/s
  • DDR3-2133: Còn được gọi là PC3-17000. Đồng hồ 1066 MHz, BUS 2133 MHz với băng thông 17064 MB/s
• DDR4 SDRAM được phân loại theo tốc độ BUS và băng thông như sau:
  • DDR4-2133: Tên module PC4-17000. Đồng hồ 1067 MHz, BUS 2133 MHz với băng thông 17064 MB/s.
  • DDR4-2400: Tên module PC4-19200. Đồng hồ 1200 MHz, BUS 2400 MHz với băng thông 19200 MB/s.
  • DDR4-2666: Tên module PC4-21300. Đồng hồ 1333 MHz, BUS 2666 MHz với băng thông 21328 MB/s.
  • DDR4-3200: Tên module PC4-25600. Đồng hồ 1600 MHz, BUS 3200 MHz với băng thông 25600 MB/s.

Các loại module của RAM

Trước đây, các loại RAM được thiết kế để gắn chip nhớ trực tiếp vào bo mạch chủ thông qua đế cắm (DIP), điều này thường không tiện lợi cho việc nâng cấp hệ thống. Theo sự phát triển của công nghệ, RAM đã được thiết kế thành các module như SIMM, DIMM để dễ dàng hơn trong thiết kế và nâng cấp máy tính.

SIMM (Single In-line Memory Module) và DIMM (Dual In-line Memory Module) là hai loại RAM phổ biến. SO-DIMM (Small Outline Dual In-line Memory Module) thường được sử dụng trong các laptop.

Tính tương thích với bo mạch chủ là một yếu tố quan trọng khi lựa chọn RAM.

Không phải mọi loại RAM đều tương thích với tất cả các bo mạch chủ. Tùy thuộc vào chipset của bo mạch chủ mà có sự khác biệt về tương thích.